Заедание сетей может вызвать сбои в работе телефонных систем, но среди тонких углеродных нанотрубок или нановолокон подобное явление может значительно улучшить огнестойкость и, возможно, другие свойства полимеров, сообщают исследователи из Национального института стандартов и технологий и Пенсильванский университет.
Результаты, достигнутые с двумя типами углеродных нанотрубок (одностенными и многостенными) и с углеродными нановолокнами, могут помочь исключить метод проб и ошибок при разработке и производстве нанокомпозитных материалов с огнезащитными и другими желаемыми свойствами, оптимизированными для приложений в различных областях, от упаковки и электроники до строительства и аэрокосмической отрасли. Работа опубликована в декабрьском номере журнала Nature Materials.
Наполнители из наночастиц, особенно глины, снижают воспламеняемость пластмасс и других полимеров. По словам исследователя пожаров из NIST Такаси Кашиваги, предыдущая работа над этими антипиренами на основе наноглины показывает, что добавки наиболее эффективны, когда они мигрируют, образуя непрерывный поверхностный слой, создавая «тепловой экран» поверх более легковоспламеняющейся полимерной матрицы. Он объясняет, что щит подавляет «мощное бурление», которое может возникнуть при разрушении матрицы.
Однако, если пластинчатые частицы наноглины группируются в островки, тепло уходит через щели между ними, что снижает их эффективность в качестве антипиренов.
Чтобы обойти эту проблему, Кашиваги и его коллеги решили исследовать углеродные нанотрубки и нановолокна, которые, как правило, уже и длиннее, чем наноглины. Также было показано, что эти структуры повышают прочность, электропроводность и другие свойства материала. Исследователи пришли к выводу, что вытянутая, извилистая геометрия крошечных трубочек и волокон может способствовать формированию «непрерывного сетчатого защитного слоя», свободного от трещин..
Когда исследователи нагревали полиметилметакрилат (ПММА) - прозрачный пластик, диспергированный с углеродными нанотрубками или нановолокнами, материал вел себя как гель. В процессе, определяемом их типом, концентрацией и другими факторами, нанодобавки распределялись по всей матрице ПММА и в конечном итоге образовывали «механически стабильную сетчатую структуру». Исследователи говорят, что «застрявшие сети», сформированные по мере того, как нанокомпозиты претерпевают изменение идентичности, переходя из жидкого состояния в твердое. Сдвиг произошел при оптимальном составе, который команда назвала «концентрацией геля».
Для одностенных углеродных нанотрубок-листов атомов углерода, свернутых в цилиндры-верхние огнезащитные свойства были достигнуты, когда наполнители составляли всего 0,5 процента от общей массы материала. Для многослойных углеродных нанотрубок, представляющих собой вложенные наборы углеродных цилиндров, концентрация геля составляла 1 процент. Оба типа нанотрубок могут превзойти наноглины в качестве эффективных антипиренов, говорит ученый-материаловед NIST Джек Дуглас.
Результаты показывают, что концентрация геля также может указывать на точку, в которой другие улучшения свойств материала с помощью нанотрубок становятся максимальными, добавляет Дуглас.
Т. Кашиваги, Ф. Ду, Дж. Ф. Дуглас, К. И. Уайни, Р. Х. Харрис-младший и Дж. Р. Шилдс. Сети наночастиц снижают воспламеняемость полимерных нанокомпозитов. Nature Materials, декабрь 2005 г., стр. 928-933..